3. IMPLEMENTACIÓN FINAL
3.2. Piezas de anclaje
Una vez montado el segundo prototipo se ha verificado que este cumple con las especificaciones y, por tanto, ha sido determinado como prototipo final y a continuación se pasará a diseñar tanto las piezas para anclarlo al portaherramientas como el sistema de seguridad.
3.2.1. Diseño
Pieza: Sujetamotor
Aunque se ha comprobado que el motor queda bien encajado en la pieza base, se ha querido aprovechar esta pieza, que anclará la pinza al portaherramientas para asegurar el motor mediante las roscas de las que dispone este en las esquinas de la cara superior, para lo cual se han colocado los agujeros de la parte superior.
Tanto esta pieza como la siguiente han sido diseñadas para que estando ancladas a la pinza formen una base circular del tamaño del portaherramientas para que haya la máxima superficie de apoyo.
Pieza: Sujetapinza
Dado que esta pieza que sujetará la pinza al portaherramientas va en la parte de atrás de la pinza no se puede aprovechar de la misma forma que la pieza anterior, por tanto únicamente servirá para sujetar la pinza al portaherramientas y por ello la forma circular de su base.
Figura 69: Modelo Pieza Sujetamotor
3.2.2. Impresión
Una vez más se adjuntan la tabla con los principales datos de impresión de las piezas.
Nombre Relleno Material de soporte Temperatura de impresión Color Nº de piezas Longitud de filamento Tiempo de impresión Sujetamotor 0,25 NO 235 Blanco 1 1574 mm 53m 45s Sujetapinza 0,20 NO 235 Blanco 1 1196 mm 45m 26s
Tabla 10: Impresión piezas de anclaje
Dado que la pieza Sujetamotor tendrá que soportar un mayor esfuerzo por la sujeción del motor y el anclaje al portaherramientas se le ha dado un mayor porcentaje de relleno.
3.3. Sistema de seguridad
Dado que este efector va a trabajar en contacto con pacientes debido al tipo de proyecto para el que ha sido desarrollado es necesario el diseño de algún tipo de seguridad que impida que la pinza dañe al paciente por la característica del diseño escogido (permite el movimiento solo en la dirección del motor y no al contrario) gracias a las propiedades geométricas del tornillos sinfín.
3.3.1. Diseño
Finalmente se ha decidido dividir la pieza que transmite el movimiento a la punta de la pinza (pieza Lado-engranaje) en dos partes y unirlas gracias a imanes de neodimio con forma de disco, concretamente de 8 mm de diámetro y 3 mm de grosor. De esta forma en caso de que uno de los pacientes fuera pillado por la pinza, podría tirar de uno o ambos lados de esta y las piezas se desacoplarían impidiendo la transmisión de fuerza del motor al extremo de la pinza.
Como se puede apreciar el grosor de las piezas ha permitido que sean dos los imanes que caben dentro de la misma y, gracias a esto, tener una fuerza que une estas dos piezas, suficiente para que al transmitir el motor el movimiento a la pinza estas no se desacoplen.
Figura 73: Modelo Pieza Engranaje-Imán Figura 74: Modelo Pieza Lado-Imán
Figura 76: Modelo Pinza Final (a)
3.3.2. Impresión
La pieza de la figura 77 se ha impreso con material de soporte en forma de pilar mientras que la pieza de la figura 78 se ha impreso de forma que no necesite material de soporte.
Nombre Relleno Material de soporte Temperatura de impresión Color Nº de piezas Longitud de filamento Tiempo de impresión Engranaje- imán 0,20 NO 225 Negro 2 593 mm 35m 9s Lado-imán 0,20 NO 225 Negro 2 415 mm 17m 40s
Tabla 11: Impresión Piezas de Seguridad
Figura 80: Pinza Final abierta
Figura 79: Pieza Engranaje-Imán Figura 78: Pieza Lado-Imán
Figura 82: Pinza acoplada en Asibot (a): Vista 1 de Pinza acoplada
3.4. Control
Una vez implementado el prototipo final, se ha procedido a programar un código de control para validar el correcto funcionamiento de la herramienta. Se ha utilizado la plataforma de código abierto ARDUINO, contando con los siguientes recursos hardware:
Arduino Mega 2560 (Propiedad del autor del trabajo)
Pulsadores x4
Resistencias (10k Ω) x4 Condensador (100 µF) x1 Pololu (Driver del stepper)
3.4.1. Circuito
En este apartado se explicará el funcionamiento del circuito, la función de los componentes y cada uno de los pines del arduino con los que tienen conexión (figura 84).
Pulsadores: Una de las patillas de cada uno se conecta a 5V, mientras la otra permanece conectada tanto a un Pin digital del arduino en modo Read, como a Tierra mediante una resistencia de 10kΩ (para garantizar la lectura LOW por parte del arduino mientras el pulsador esté abierto). A continuación se explicará que activa cada uno de ellos
1.- Botón de cerrar pinza (conectado a Pin 2). En el momento en que se pulse este botón y mientras no esté activado el botón de “fin de carrera abierto”, la pinza hará el movimiento de cierre hasta que se active el pulsador de fin de carrera que indica que la pinza está cerrada.
2.- Botón de abrir pinza (conectado a Pin 3). En el momento en que se pulse este botón y mientras no esté activado el botón de “fin de carrera abierto”, la pinza hará el movimiento de apertura hasta que se active el pulsador de fin de carrera que indica que la pinza está abierta.
3.- Botón de Fin de carrera abierto (conectado a Pin 4). En el momento en que se pulse este botón y mientras la pinza se encuentre en movimiento de apertura, este movimiento se detendrá.
4.- Botón de Fin de carrera cerrado (conectado a Pin 5). En el momento en que se pulse este botón y mientras la pinza se encuentre en movimiento de cierre, este movimiento se detendrá.
Pololu: Este componente proporciona tanto la alimentación como las salidas necesarias para controlar el motor paso a paso en base a sus entradas, las cuales son controladas por el arduino.
A continuación se explican los pines quese utilizan en este trabajo.
STEP (Pin 11 del arduino): En este pin de entrada, por cada flanco de subida el pololu generará las salidas necesarias para avanzar un paso del motor en la dirección que se indique a la entrada DIR.
DIR (Pin 9 del arduino): Según la señal de este pin sea HIGH o LOW el motor se moverá en una dirección.
ENABLE (Pin 10 del arduino): Mientras a este pin le llegue una señal HIGH el motor permanecerá desactivado.
1A, 1B, 2A, 2B (conectadas al motor): Estas salidas son producidas por el pololu para mover el motor según las instrucciones proporcionadas a las entradas.
VMOT: Esta entrada debe estar conectada a una fuente de 8V ya que es el pin que proporcionará la alimentación al motor.
VDD: Este pin debe estar conectado a 5V ya que es la propia alimentación del pololu.
Además el circuito cuenta con un condensador electrolítico de 100 µF (conectado entre 8V y Tierra) para proteger el pololu de picos de corriente [23].
Por último, el código necesario para que el arduino realice las acciones que se han explicado en este apartado se adjunta en el Anexo I de este trabajo.
Figura 84: Esquema circuito prototipado
Figura 83: Conexiones de Pololu A4988
Teniendo en cuenta que el programa repetier nos proporciona la longitud de hilo usado por pieza, se calculará un valor con las unidades de €/mm para utilizarlo posteriormente de forma rápida. 1,05 𝑔 𝑐𝑚3∗ 1 𝐾𝑔 1000𝑔∗ 1 𝑐𝑚3 1000 𝑚𝑚3= 1,05 ∗ 10−6 𝐾𝑔 𝑚𝑚3 ⁄ [24] 22,99 € 𝐵𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎∗ 1 𝐵𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 1 𝐾𝑔 𝐴𝐵𝑆∗ 1,05 ∗ 10−6 𝐾𝑔 1 𝑚𝑚3 = 2,41 ∗ 10−5€⁄𝑚𝑚3 [26] 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜋𝑟2 = 𝜋 ∗ 1,52= 7,07 𝑚𝑚2 4.1. Primer prototipo PRIMER PROTOTIPO
Piezas Longitud Nº Piezas €/Pieza Coste
Lado 1366 mm 2 0,232702009 0,465404018 €
Lado-engranaje 2899 mm 2 0,493852946 0,987705892 €
Pinza 1486 mm 2 0,253144352 0,506288705 €
Base 3307 mm 1 0,563356913 0,563356913 €
TOTAL 2,522755528 € 2,52 €
Tabla 13: Presupuesto de piezas de primer prototipo
Radio 1,5 mm
Densidad 1,05E-06 Kg/mm² Precio por mm³ 2,41E-05 €/mm³ Área del filamento 7,0685835 mm²
4.2. Segundo prototipo
Tabla 14: Presupuesto piezas Implementación final
4.3. Control
*Comprado en lote grande
**Precio aproximado, ya disponibles en el laboratorio.
IMPLEMENTACION FINAL
Piezas Longitud Nº Piezas €/Pieza Coste
Lado 458 mm 2 0,078021611 0,156043221 €
Lado-engranaje 1070 mm 2 0,182277562 0,364555124 €
Pinza 597 mm 2 0,101700658 0,203401317 €
Base 1925 mm 1 0,327929259 0,327929259 €
TOTAL 1,051928921 € 1,05 €
Piezas Longitud Nº Piezas €/Pieza Coste
Sujetamotor 1574 mm 1 0,268135404 0,268135404 €
Sujetapinza 1196 mm 1 0,203742023 0,203742023 €
TOTAL 0,471877427 € 0,47 €
Piezas Longitud Nº Piezas €/Pieza Coste
Engranaje-imán 1574 mm 2 0,268135404 0,536270808 € Lado-imán 1196 mm 2 0,203742023 0,407484045 € Imanes 8 0,35 2,8 € TOTAL 3,743754853 € 3,74 € TOTAL 5,27 € CONTROL
Piezas Nº Piezas €/Pieza Coste
Pulsador* 4 0,020666667 0,082666667 €
Resistencias* 4 0,0057 0,0228 €
Condensador* 1 0,05288 0,05288 €
Pololu** 1 7,11 7,11 €
Motor** 1 58,78 58,78 €
Tornillo Sin fin** 1 12 12 €
TOTAL 78,04834667 € 78,05 €
4.4. Personal
Nombre Tipo de
personal Coste/mes Dedicación Coste total
Emilio Aguilera Nuñez
Ingeniero en
Prácticas 1000 € 3 meses 3000 €
5.1. Análisis de resultados
Al final de este trabajo se ha conseguido implementar una pinza utilizando tecnología de prototipado rápido.
Teniendo en cuenta el presupuesto anterior y los precios de pinzas comerciales, se puede afirmar que se ha conseguido con éxito el objetivo principal del proyecto en lo que se refiere a la fabricación low-cost de la pinza.
Además, la herramienta es accionada por un solo actuador con una fuerza efectiva de 1,5 N, e incluye un sistema de apertura de seguridad implementado por imanes
Aunque cabe destacar que, con respecto al control, no ha sido posible una implementación completa de la pinza, teniendo en cuenta que debería contar con las conexiones de la figura 7 para poder realizar una conexión automática. Esto es debido a los cambios que se están realizando en estas conexiones y los conos que las alojan como se explica en el punto 1.1.2.
Además del objetivo principal, en el proceso que se ha seguido para la realización de este trabajo se han realizado con éxito otras tareas tales como:
- Investigación y estudio de las posibilidades en el ámbito de este trabajo. - Localización de una necesidad concreta dentro de un proyecto ya iniciado.
- Diseño de un primer prototipo funcional desechado por el tamaño del mismo, determinando así una nueva característica para el siguiente prototipo.
- Diseño de un segundo prototipo y verificación de que sus características cumplan las especificaciones requeridas.
- Diseño de un método de seguridad mediante el desacople de las piezas del prototipo debido a que este va a tratar con personas.
5.2. Trabajos futuros
Dado que este trabajo forma parte del proyecto robohealth, tras la finalización de este, se seguirán realizando cambios que sigan mejorando o añadiendo funcionalidad a la pinza.
En el momento en el que se ha redactado este trabajo se ha determinado que algunas de las posibles mejoras que pueden aportar funcionalidad son:
- Terminar la implementación del control de la pinza, como ya se ha dicho en la conclusión, esta es una tarea necesaria en el momento en el que se terminen los cambios en los conos de conexión.
- Diseño e impresión de fundas para la punta de la pinza, que gracias al material ninjaflex aumentará el rozamiento del punto de agarre y mejorara el agarre de objetos.
[1] Robohealth, http://roboticslab.uc3m.es/roboticslab/project/robohealth
(Visitado el 23/09/16)
[2] Robot AMOR, http://www.amorrobot.com/overview.shtml
(Visitado el 23/09/16)
[3] A. Jardón Huete, “Assistive robot design methodology. Application to portable robot
ASIBOT”, Universidad Carlos III, Tesis Doctoral 2016.
[4] Jian Jin, Wenzeng Zhang, Zhenguo Sun, Qiang Chen, “LISA Hand: Indirect Self-Adaptive
Robotic Hand for Robust Grasping and Simplicity”, International Conference on
Robotics and Biomimetics December 11-14, 2012, Guangzhou, China.
[5] Raafat Mahmoud, Atsushi Ueno, Shoji Tatsumi, “Dexterous Mechanism Design for an
Anthropomorphic Artificial Hand: Osaka City University Hand I”, International
Conference on Humanoid Robots Nashville, TN, USA, December 6-8, 2010.
[6] Jun Ueda, Yutaka Ishida, Masahiro Kondo, Tsukasa Ogasawara, “Development of the
NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor”, International Conference on
Robotics and Automation Barcelona, Spain, April 2005.
[7] Guozhi Li, Cong Fu, Fuhai Zhang and Shuguo Wang, “A Reconfigurable Three-Finger
Robotic Gripper”, International Conference on Information and Automation Lijiang,
China, August 2015.
[8] Kuat Telegenov, Yedige Tlegenov, And Almas Shintemirov. “A Low-Cost Open-Source 3-
D-Printed Three-Finger Gripper”, Platform for Research and Educational Purposes, May 15, 2015.
[9] A. M. Dollar, R. D. Howe,"The Highly Adaptive SDM Hand: Design and Performance
Evaluation", International Journal of Robotics Research, 2010.
[10] L.U. Odhner, R.R. Ma, and A.M. Dollar, "Open-Loop Precision Grasping with
Underactuated Hands Inspired by a Human Manipulation Strategy", IEEE Transactions
on Automation Science and Engineering, 2013.
[11] L.U. Odhner, L.P. Jentoft, M.R. Claffee, N. Corson, Y. Tenzer, R.R. Ma, M. Buehler, R. Kohout, R.D. Howe, and A.M. Dollar, "A Compliant, Underactuated Hand for Robust
[12] R.R. Ma, A. Spiers, and A.M. Dollar, "M2 Gripper: Extending the Dexterity of a Simple,
Underactuated Gripper", Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on
Reconfigurable Mechanisms and Robotics (ReMAR).
[13] Shadow Dexterous Hand, https://www.shadowrobot.com/products/dexterous-hand/
(Visitado el 23/09/16)
[14] Shadow Lite, https://www.shadowrobot.com/hand-lite/
(Visitado el 23/09/16)
[15] SVH Hand, http://mobile.schunk-microsite.com/en/produkte/products/servo-electric- 5-finger-gripping-hand-svh.html
(Visitado el 23/09/16)
[16] Barret Hand, http://www.barrett.com/products-hand.htm
(Visitado el 23/09/16)
[17] Robotiq 3-Finger Gripper, http://robotiq.com/products/industrial-robot-hand/
(Visitado el 23/09/16)
[18] Robotiq 2-Finger Gripper, http://robotiq.com/products/adaptive-robot-gripper/
(Visitado el 23/09/16)
[19] R. Wood, C. Walsh, Smaller, softer, safer, smarter robots, (2013).
[20] HAO Yufei, GONG Zheyuan, XIE Zhexin, GUAN Shaoya, YANG Xingbang, REN Ziyu, WANG Tianmiao, WEN Li, “Universal soft pneumatic robotic gripper with variable
effective length”, Proceedings of the 35th Chinese Control Conference July 27-29, 2016
[21] Working Model, https://www.addlink.es/productos/software/working-model- 2d#caracteristicas (Visitado el 23/09/16) [22] Autocad, http://www.sistemamid.com/panel/uploads/biblioteca/2015-04-25_01-17- 11120379.pdf (Visitado el 23/09/16) [23] Pololu, https://www.pololu.com/product/1182
(Visitado el 23/09/16)
[24] Propiedades ABS, http://www.siim.com/docs/RAE-1018.pdf
(Visitado el 23/09/16)
[25] Habib S. Benabdallah, “Static friction coefficient of some plastics against steel and
aluminum under different contact conditions”, Tribology International 40 (2007).
[26] ABS utilizado, https://kitprinter3d.com/es/filamento-3d/98-filamento-
premium.html#/diametro-del-filamento-3-mm/tipo-de-plastico-premium-abs/color- filiament-black-darkside.